Mikrowellentechnik auf Basis der drahtlosen Energieübertragung

Was ist drahtlose Energieübertragung? Mikrowellenbasierte drahtlose Energieübertragung revolutioniert die Art und Weise, wie Energie abgelegene und schwer zugängliche Geräte erreicht, und ermöglicht einen wartungsfreien Betrieb für IoT-Sensoren, Elektrofahrzeuge und Drohnen. Lassen Sie uns die neuesten Fortschritte in der drahtlosen Energieübertragungstechnologie und ihre entscheidende Rolle beim Antreiben der vernetzten Welt von morgen erkunden.  

Mikrowellenenergieübertragung: Vergangenheit und Gegenwart

Die Mikrowellen-Energieübertragung erhielt fast ein Jahrzehnt nach ihrer Erfindung während des Zweiten Weltkriegs beträchtliche Aufmerksamkeit. Im Jahr 1958 begannen Forscher mit Studien zur drahtlosen Energieübertragung für solarbetriebene Satelliten, unterstützt durch Mittel von Raytheon, der NASA und der US Air Force. Seit 1980 haben alle Sponsoren die Mikrowellen-Energieübertragung untersucht, wobei die NASA als Hauptsponsor fungierte.

Verschiedene Techniken für die drahtlose Energieübertragung wurden entwickelt, darunter Radiofrequenz (RF), elektromagnetische Induktion, ultraschallgeführte Wellen und Laserstrahlen. Die fortschrittlichste Methode der Energieübertragung ist die drahtlose Übertragung mit Radiofrequenzen. Das Mikrowellen-Energieübertragungssystem ist eine Technik, die Energie an nahezu unzugängliche Orte überträgt. Die Aufrechterhaltung der Selbstversorgung von Internet-der-Dinge-(IoT)-Geräten erfordert eine Energierückgewinnungsschaltung zur Energiespeicherung. 

Drahtlose Energieübertragung

Bild 1. zeigt die beträchtliche Variabilität drahtloser Energiemethoden, die von zahlreichen Merkmalen wie Frequenz, Entfernung zwischen Sender und Empfänger und spezifischen Anwendungen beeinflusst werden. Elektrofahrzeuge, Drohnen, Unterhaltungselektronik und tragbare Elektronik können alle WPT für Nahfeld-Anwendungen einsetzen, nämlich MC-WPT (Magnetkopplungs-Wireless-Power-Transfer) und EC-WPT (Elektrische-Feld-Kopplungs-Wireless-Power-Transfer). Fernfeld-Anwendungen umfassen fortschrittliche Technologien und militärische Nutzungen, wie MPT (Mikrowellen-Power-Transmission) und LPT (Laser-Power-Transmission).
  Bild 2. zeigt das Blockdiagramm des drahtlosen Energieübertragungssystems.
  Die Struktur der drahtlosen Energieübertragung besteht aus drei Teilen:

• Mikrowellen-Energiequelle,
• Wanderwellenbereich,
• Rectenna (gleichrichtende Antenne) oder Zyklotron-Wellen-Gleichrichter (CWC).

Die Notwendigkeit eines begrenzten Abstands zwischen Spulen behindert die Weiterentwicklung der elektromagnetischen Induktionstechnologie. Derzeit werden vier Modalitäten der drahtlosen Energieübertragung eingesetzt. Wir führen vier Kategorien elektromagnetischer Strahlung in aufsteigender Reihenfolge der Frequenz auf:

• Mikrowellen (Langstrecke),
• Laser (Langstrecke),
• Elektromagnetische Induktion (Kurzstrecke),
• Ultraschallwellen (Kurzstrecke).

Die Technologie der drahtlosen Energieübertragung kann gemäß indirekter Energie wie in Bild 3 gezeigt in elektromagnetisch basierte WPT-Technologie und mechanisch basierte WPT-Technologie unterteilt werden. Elektromagnetisch basierte WPT-Technologie kann in magnetfeldbasierte WPT, elektrisches-Feld-basierte WPT, Mikrowellen-basierte WPT und Laser-basierte WPT klassifiziert werden. Mechanisch basierte WPT-Technologie kann in Ultraschall-basierte WPT und mechanische-Schwingungs-basierte WPT klassifiziert werden. Die WPT-Technologien in der Luftfahrt umfassen induktive drahtlose Energieübertragung, magnetische Kopplungsresonanz, Laser- und Mikrowellen-WPT. Induktive und konventionelle kognitive Funkgeräte werden als Nahfeld-WPT-Technologien klassifiziert, während Laser und Mikrowellen Fernfeld-WPT-Technologien sind.
  Energieernte, ein entscheidender Bestandteil der drahtlosen Energieübertragung, ist eine innovative Technologie, die Strom an historisch unerreichbare Orte liefert. Diese Methode, bekannt als RF-Harvesting, ist besonders bedeutsam aufgrund ihrer Fähigkeit, elektronische Geräte mit minimalem Energiebedarf in abgelegenen und komplexen Umgebungen zu versorgen. Sie wird auch als Radiofrequenz-Ernte bezeichnet. Sie kann elektronische Geräte mit minimalem Energieverbrauch drahtlos versorgen.

Forscher haben kürzlich erhebliches Interesse geweckt, da sie Sensoren in komplexen Umgebungen drahtlos laden können. Zahlreiche Studien haben das drahtlose Laden durch RF-Energieernte untersucht. Das Grundprinzip dieser Technologie besteht darin, die RF-Energie um die Antenne oder den Empfänger einzufangen, um Sensoren mit Energie zu versorgen. Folglich müssen IoT-Sensoren über batteriefreie Energieversorgungslösungen verfügen. In Zukunft werden beträchtliche Ressourcen erforderlich sein, um IoT-Geräte aufrechtzuerhalten, da in drahtlosen Sensornetzwerken zahlreiche Sensoren verbreitet sein werden. Daher muss jeder Sensor batteriefrei sein, um einen wartungsfreien Betrieb sicherzustellen. Die drahtlose Energieübertragung oder RF-Energieernte ist eine vielversprechende Technik, da sie IoT-Geräte über größere Entfernungen als alternative Methoden mit Energie versorgen kann, wie in Bild 4. dargestellt.
  Zahlreiche namhafte Forscher haben die RF-Energieernte durch verschiedene Ansätze und Strategien vorangetrieben. Chang-Yeob Chu et al. untersuchten das Systemdesign für das Laden von Elektroautos unter Berücksichtigung eines breiten Spektrums von Kopplungskoeffizienten-Variationen aufgrund von Spulenausrichtungsfehlern. Koichiro Ishibashi und Kollegen schlugen die Radiofrequenz-Eigenschaften von Gleichrichterbauelementen für die Energieernte aus Umgebungsenergie vor.

Mohamed Zied et al. untersuchten den Einfluss der drahtlosen Energieübertragung auf die Zukunft der Kriegsführung weltweit und deren Auswirkungen auf die Rangfolge der Nationen nach militärischer Stärke. Die Untersuchung berücksichtigte zwei Faktoren: den Einfluss der Mikrowellen-Energiequellen und die Wirkung der Entfernung auf die Dämpfung. Sie untersuchten die Einrichtung von mit Energie versorgten IoT-Sensoren durch RF-Energie-Rückgewinnung. Mohamed Zied et al. kamen zu dem Schluss, dass alle Parameter effizient Energie liefern, um 5-W-LED-Lampen in Entfernungen von über fünf Metern drahtlos zu betreiben.

Nermeen A. Eltresy et al. untersuchten eine CPIFA-Antenne, um RF-Energie in drei verschiedenen Frequenzbändern zu ernten: GSM 900, GSM 1800 und Wi-Fi 2400. Laut ihrer Analyse besteht das Ziel der Entwicklung einer Anpassungsschaltung darin, die vorgeschlagene Antenne mit einem Gleichrichter abzustimmen, um maximale Energieübertragung und minimale Verluste zu erzielen. Sie ernteten erfolgreich eine Ausgangsspannung von 624 mV bei 0 dBm Eingangsleistung.

Diffa Pinto et al. bewerteten die Leistung und stellten eine Beziehung zwischen Prozessparametern zur Energieernte und der Anzahl der Gleichrichterschaltungen her. Sie entwickelten ein Framework für ein Wi-Fi-Energieerntesystem basierend auf der 7-Stufen-Villard-Gleichrichter-Spannungsvervielfacherschaltung, die mit Agilent Design Systems (ADS) analysiert und simuliert wurde. Der Ausgang der Vervielfacherschaltung wird an die Stromversorgungs-Managementschaltung (PMU) weitergegeben. Mit dem Anstieg der Anwendungen im Bereich Smart-Home-Kommunikation, Internet der Dinge (IoT), intelligente Gesundheitsversorgung und Umweltüberwachung hat die Nachfrage nach stromsparenden elektronischen Geräten erheblich zugenommen.

Diese Lösung gewährleistet zwei wesentliche Komponenten für IoT im Smart Home: eine zuverlässige Stromversorgung für das drahtlose Laden von Elektronikgeräten und die laufende Selbstversorgung jedes IoT-Sensors durch RF-Energie, unter Verwendung von Signalen wie Wi-Fi, 4G, WiMax, 5G oder jeder Umgebungsradiofrequenz. Diese Technologie kann zahlreiche elektronische Geräte durch die integrierten und stationären Erntesysteme des IoT mit Energie versorgen. Dieser Aspekt verdeutlicht die Wirksamkeit der drahtlosen Energieernte in Smart Cities und steigert Intelligenz und Sicherheit im Alltag. Die Gleichrichterschaltung wandelt die empfangene RF-Energie effizient über Schottky-Dioden, eine Stromversorgungs-Managementschaltung und einen Tiefpassfilter um, die alle direkt mit dem IoT-Gerät verbunden sind.

Mehr über drahtlose Energieübertragung

Für weitere Informationen zur drahtlosen Energieübertragung verweisen wir auf das Buch von Mohamed Zied Chaari, Wireless Power Design  (Elektor 2025), aus dem dieser Artikel (Kap. 2) stammt.